從Linux內核中獲取真隨機數

作者：時間：2016-10-08 來源：網絡

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內核隨機數產生器

本文引用地址：http://cqxgywz.com/article/201610/305407.htm

Linux內核實現了一個隨機數產生器，從理論上說這個隨機數產生器產生的是真隨機數。與標準C庫中的rand()，srand()產生的偽隨機數不同，盡管偽隨機數帶有一定的隨機特征，但這些數字序列并非統計意義上的隨機數。也就是說它們是可重現的--只要每次使用相同的seed值，就能得到相同的偽隨機數列。通常通過使用time()的返回值來改變seed，以此得到不同的偽隨機數序列，但time()返回值的結果并不是不確定的(可預測)，也就是這里仍然缺少一個不確定的噪聲源。對于需要真隨機數的程序，都不能允許使用偽隨機數。

為了獲得真正意義上的隨機數，需要一個外部的噪聲源。Linux內核找到了一個完美的噪聲源產生者--就是使用計算機的人。我們在使用計算機時敲擊鍵盤的時間間隔，移動鼠標的距離與間隔，特定中斷的時間間隔等等，這些對于計算機來講都是屬于非確定的和不可預測的。雖然計算機本身的行為完全由編程所控制，但人對外設硬件的操作具有很大的不確定性，而這些不確定性可以通過驅動程序中注冊的中斷處理例程(ISR)獲取。內核根據這些非確定性的設備事件維護著一個熵池，池中的數據是完全隨機的。當有新的設備事件到來，內核會估計新加入的數據的隨機性，當我們從熵池中取出數據時，內核會減少熵的估計值。

asmlinkage int handle_IRQ_EVEnt(unsigned int irq, struct pt_regs *regs,

struct irqaction *action)

{

int status = 1;

int retval = 0;

if (!(action->flags SA_INTERRUPT))

local_irq_enable();

{

status |= action->flags;

retval |= action->handler(irq, action->dev_id, regs);

action = action->next;

}while (action);

if (status SA_SAMPLE_RANDOM)

add_interrupt_randomness(irq);

local_irq_disable();

return retval;

}

上面這段代碼是x86上用來處理某條中斷線上注冊的ISR例程的函數。這里我們感興趣的地方是：如果ISR在注冊期間指定了 SA_SAMPLE_RANDOM標志，在處理完action后，還要調用add_interrupt_randomness()這個函數，它使用中斷間隔時間為內核隨機數產生器產生熵。內核就是在這里為熵池填充新數據的。

如果我們完全不操作計算機會如何呢?也就是作為噪聲源的產生者，我們完全不去碰鍵盤，鼠標等外設，不讓熵池獲得新的數據，這個時候如果去熵池取數據內核會如何反應?

內核在每次從熵池中取數據后都會減少熵的估計值，如果熵估計值等于0了，內核此時可以拒絕用戶對隨機數的請求操作。

獲取內核隨機數

有兩種方法可以從熵池中獲取內核隨機數。一種是通過內核導出的隨機數接口，另一種是通過特殊的設備文件/dev/random和/dev/urandom。下面分別討論兩種方法。

熵的輸出接口

1 void get_random_bytes(void *buf, int nbytes)

該函數返回長度為nbytes字節的緩沖區buf，無論熵估計是否為0都將返回數據。使用這個函數時需要在內核空間。我們寫一個小模塊來測試一下。

#include

#define NUM 10

void get_random_bytes(void *buf, int nbytes);

static int get_random_number(void)

{

unsigned long randNum[10];

int i = 0;

printk(KERN_ALERT Get some real random number.n);

for (i=0; i

{

get_random_bytes(randNum, sizeof(unsigned long));

printk(KERN_ALERT We get random number: %ldn, randNum);

}

return 0;

}

static void random_exit(void)

{

printk(KERN_ALERT quit get_random_num.n);

}

module_init(get_random_number);

module_exit(random_exit);

MODULE_LICENSE(GPL);

MODULE_AUTHOR(Test);

Makefile如下：

obj-m = get_random_num.o

KDIR = $(shell uname -r)

PWD = $(shell pwd)

all:

make -C [img]file:///C:DOCUME~1ADMINI~1LOCALS~1Temp)A[Y)I~](ZC9Z[3Y)IDK7LK.gif[/img]b/modules/$(KDIR)file:///C:DOCUME~1ADMINI~1LOCALS~1TempOOY5$4OW5H`8`9%(9$)T67M.gifild M=$(PWD) modules

clean:

make -C [img]file:///C:DOCUME~1ADMINI~1LOCALS~1Temp)A[Y)I~](ZC9Z[3Y)IDK7LK.gif[/img]b/modules/$(KDIR)file:///C:DOCUME~1ADMINI~1LOCALS~1TempOOY5$4OW5H`8`9%(9$)T67M.gifild M=$(PWD) clean

#end#

編譯之后加載模塊，通過dmesg命令輸出系統log最新的信息，可以看到我們的小模塊輸出了10個從內核熵池中得到的隨機數。卸載模塊后再次加載可以重新獲取新的隨機數，觀察輸出結果，與之前得到的隨機數完全不一樣。

[37972.467955] Get some real random number.

[37972.468392] We get random number: -82199505

[37972.468580] We get random number: -276237802

[37972.468586] We get random number: 411869317

[37972.468590] We get random number: 1779353222

[37972.468594] We get random number: 823507551

[37972.468598] We get random number: 1061461415

[37972.468602] We get random number: 1372137935

[37972.468606] We get random number: 1460835009

[37972.468610] We get random number: 2002191729